感应加热电流频率功率加热时间的确定与螺线管感应参数计算

1、感应加热电流频率、功率、加热时间的确定与螺线管感应参数计算2010-3-2910:25:00来源：中国金属加工在线阅读：394次我要收藏【字体：大中小】一、金属坯料加热过程中物理性质的变化坯料的电阻率和相对磁导率对频率确定以及感应器参数设计具有重要意义。金属足界电阻率与端度的关系式对式中唐金.属区总"t时的电阻率:今由裁橄冰闷率的改变僮j:电阻漏度系数L即温度林开面I灯时电阻府金属在七时的电阳率理位随33ffiGb9EQn表I所示肘几种常见金属的电阻率及电阻温度系数表I常见几钟金痕的M值和"债金属惕刖辆a113xio-1r25XHj-=何aoiexio-14MlXHI-：铝

2、OIO26xio-'4onXhi-:以钢为例，图1所示为wC=0.4%0.5%钢坯料的电阻率p2和一定的磁场强度下的相对磁导率r与温度t的关系曲线。阕I不撒的电阻率.、梢对藏导率与坯料加热漏度的关系曲线由式（1）和图1可以看出：钢在加热时，其电阻率p2和相对磁导率r都发生变化：p2在15800c的温度区内，大约增加4倍。当温度超过800c后，各类钢的电阻率几乎相等、并趋于一恒定值，即10-6Qmor在650700c之前基本上只与磁场强度有关，而与坯料温度变化关系不大。当达到居里温度时，便阶跃式下降到1。此时，如果温度继续升高，磁导率不再变化。钢由初始温度加热至始锻温度分3个阶段：(1)

3、冷态规范坯料由初始温度加热到居里温度的规范。此时p2与r均为变量。该区为铁磁性材料区，平均温度t=650C,p2可取0.6X10-6Qm,r>1。(2)中间规范坯料表面温度达到800900C,加热层深度为0.5Ak,为部分铁磁材料区，P2=10-6Qm,坯料表层r>1。(3)热态规范非磁性材料区。加热层深度Ak,p2=1.24X10-6Qm,这是800-1300C范围内电阻率的平均值，r=1。二、电流频率的选择1 .频率确定原则坯料感应加热时，频率的确定依据以下两项原则：(1)感应器的电效率不低于极限值的5%,相对频率：m2>2.5。(2)在使坯料透热(即：使坯料断面上的温度

4、尽可能达到均匀)的前提下，加热时间最短。根据电磁场的理论，当A=0.4R2时，有效加热层已到极限值，再降低频率，也不能使有效加热层增加，m2<3.5。2.5<m2<3.5(2)式中叫相对瘦率(叫二W2J-坯料直祗m将3=503"4ftA式I力，则3xiO6心5>10*异工马氏当钢圮料断血上的堀度高于居里温度时，电流透人深唆最大.因此，选择较率时昂好取硬=4二1,则式可髓化为:寰3降微蝌燃料食检梅准短事遗舞衰mm810001KOOSOO2Q001240030004000*sooosooclooaot任稽w阜轩KJ':的"聿七/讹用表2中的频率型

5、谱是按GB/T1980-1996标准频率制定的。为了促进我国电气设备技术水平的提高，在频率值方面与国际接轨，使感应加热设备在国际贸易中不受频率差异的阻碍，该标准频率采用了国际电工委员会IEC196标准频率。国内的感应加热设备、电热电容器、中频变压器的生产厂家都应认真执行该标准。2 .注意事项选择频率应注意的事项：(1)如果一台设备加热多种规格的坯料，坯料的直径应尽量在公式规定的频率范围之内。如果不能满足，可用两个以上的频率分别对应满足。(2)一组不同直径的坯料，一般应按直径较小且批量较大的坯料来选择频率。这样，所有的坯料电效率不会受到影响。对于直径较大的坯料可能超出合理的频率范围（频率偏高），

6、但可以通过增加加热时间，即加长感应器来满足对坯料径向温差的要求。频率选择偏低，会造成电效率下降。如果低于电效率极限值的5%就不可取。（3）感应器居里温度以下区段，采用较低的频率加热，居里温度以上区段采用较高的频率加热。三、感应器的效率和功率电网输送给感应加热设备的功率包括两部分：一部分是供电系统（中频变频器、汇流排、电热电容器等）的功率损失；另外一部分是感应器线圈中的电损耗、热损耗和用于坯料加热的平均有效功率。中频变频器的额定功率分配如图2所示，我们将后一部分称之为中频变频器的额定功率P。24出题拗喙网图2中钎变器器乐定以军纤配示莅图P为中搦变搜暮端定功率：AP为应餐损失功率：p二旬切一打三北

7、享：iPr册泛称r.：-利用如星的；："一功写P二为扣飞平均日神星寻根据图2,我们将PNP定义为感应器的总软率将p”P定义为感应器的电效率”将Pl/Pz定义为感应器的热效率即片Pt/P（5）”P“P（6i%=pyp：（7）式（6，奏以式（7）,则有：空砧=P/P'8）由式，8）可知.产Q公19）从式（5）可知，P=PN。（101只要求出P小就可以确定中频变频器的箭定功率其实，第一讲式（3）:Q=I2Rt中的R即PQ=PTt（11）Q又可以用C、AT、G的灵积来表达，即Q=CATG（12J由式（ID、式（12）,可得：PTt=CATG耻PT=（13）式中C坯料的平均比热容（几种

8、常见金属的平均比热容值见表3）。表示小位质量坯料每升温1。所吸收的热能，kJ/kg'C;AT始锻温度与.初温（20口之差；G单件坯料质量,kg;t加热节拍，So表3几神常见金属的平力比热容值金A钢铜铝o.sc0.s%c1.6%C平均比热容/kJ-kgcr10.7000.6830.6500.4710.967由式（10）、式（13）得：PLl£P=n4山裁檄冻网13Klz&=GGX&33(n)(14)q因此，知道了感应器的效率就可以求出中频变频器的额定功率。感应器的总效率、电效率、热效率可以计算出来，也可以参考表4选取。表a几种常见仓属坪料某殳典型慝色群灯博主坯料

9、我军1气d类期电效率V共率a总放率n钢J0.900.&5Q90-0960SO4虹掰T,0.70-0.75Q75r。S5055065铜台的0.40-0.45a90-0920350.40铝0.-0.32D.90-095040-0.50注：T.桁居里温度T平网从表4可以看出，钢在热锻时感应器的总效率可在0.550.65之间选取。四、加热时间纵向磁场中圆形截面金属坯料，不论电流频率如何低，电流透入的有效加热层深总是接近于0.4倍的坯料半径，即A2=0.4R2。而从有效加热层到坯料心部的继续加热必须靠金属本身的热传导，感应加热时的心表温差（径向温差）就是这样产生的。因此，在A2>0.4R2

10、的条件下，合理选择频率（见式3、4）,会使坯料表面与心部透热的路程最短。最短加热时间tk,可根据热传导微分方程的特解求得：式中为餐IE一定心衰累茬的时间，二*索薪.我乐材料地空度t睇的值调能力一大小tl44号式中*.1.&工(1，酒峭由数.可法以的融中杳找：1懵里叶胖我址中.=1-即R：*ISf酒3片时所料三1工14.*，马m钢加热到1300C,心表温差AT为50c时的最短加热时间简化公式的推导。对于式(18),当设A2=0,则a=1。查图3可得：S(1,1)=0.125S(1,0)=-0.125a=1、S(1,1)=0.125和S(1,0)=-0.125代入式(17),得:-G.12

11、5!=3.125nJL3QO.6j皿.230300经验表明，将温差值加大一倍计算.结果更加精碇0将位、3、a值代人式151则Ik=IO%ay-4r=12,2xW4x4-2】（19i其中，a=6.4X1C6ra-/3T这就是笈二50七时，加热时超的肺化公式。配强榭I冻两司梅，当at=13匚卬碧m必Q=effiagsinlt=5.9>1口*-6%广（201当AT-150C.Mtk=a7CO*-6-4：21itk是指坯料从进入感应器开始加热到离开感应器的时间。坯料离开感应器到锻压设备还有时间间隔。在这个时间间隔内，心表温差以大约12C/s的速度继续均温。根据绝大多数钢种的加热规范要求，多采用式（20）计算加热时间。以上为等匝距感应器加热时间的确定。若采用变匝距感应器加热，可使加热时间大大缩短。所谓变匝距方式是指绕制感应器线圈的铜管（一般为矩形截面铜管）的轴向宽度（匝距）进料端较窄，出料端较宽，一般分为两级或三级。这种设计是因为所有线圈内通过相同的电流，磁场强度和单位功率在感应器进料端最大，会使温度很快升高。坯料表面温度升高到最终温度，需要经过总加热时间的10%30%,即在占感应器